——部分内容节选《TOYOTA Technology Review》
摘要
上一篇文章中介绍了丰田卡罗拉雷凌身上的混动车型发动机的设计。本文将介绍卡罗拉雷凌上1.2T发动机，这款发动机是丰田最新研发的一款针对入门级车型的发动机，广泛应用于丰田旗下小型车上。在中国，几乎油70%以上的用户购买卡罗拉雷凌时都会选用这款机型。它也是丰田应对排放的利器，燃油经济性相当突出，这也是丰田对于买菜车动力水平的诠释。它有哪些黑科技呢？有哪些值得广大主机厂借鉴的地方呢？本文作者从研发工程师角度出发，为大家进行阐述。另外，这款发动机的标定与设计是我前东家的隔壁课做的。
PS：内容具有一定深度，需要有专业背景的人才能理解，大家遇到不明白的可以在评论中提出，欢迎大家多多交流哈。
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（接上文）
５ 冷起动燃烧特性的改善
该发动机使用的是缸内直喷，在极其寒冷的温度下，燃油雾化和油气混合气便成为一大问题。通过使用类似于改善发动机燃油经济性的多点喷射策略，解决了这个问题。图34为极寒温度下发动机起动时多次喷射的示意图。进气行程每一喷射使燃烧室内形成稀混合气，压缩行程进行喷射在火花塞周围形成可燃混合气，形成分层燃烧。进气行程分次喷射限制了喷雾长度，减小了气缸壁上的燃油附壁量。因此，与传统进气歧管喷射发动机相比，该发动机在极低温条件下的起动时间更短。
注：一般来说，进气歧管喷射发动机主要依靠燃油自挥发和空气混合流入燃烧室，在低温状态下，受到燃油性状和温度影响，冷启动时间长，具有劣势；缸内直喷发动机因为依靠高压喷油器强制与空气混合，低温冷启动性能更好，且受到燃油影响小，但是由于喷射需要燃油过多，且集中于气缸内，容易形成积碳和PN，这块是设计难点，对喷射方式的要求比较高。
６ 车辆动态特性
６．１ 低速响应
为改善车辆的动态特性，在提高发动机全负荷特性的同时，减小涡轮增压迟滞也是很重要的环节。改款1.2T发动机的开发目标是实现快速的瞬态响应特性，最小化包括中冷器在内的进气系统的体积，并降低进气压力损失。稳压腔的容积减小到１．１Ｌ，单位排量稳压腔容积是丰田发动机中最小的。中冷系统为水冷设计，最小化了涡轮增压后的进气容积。中冷器采用了独立于发动机冷却系统的低温冷却回路，而且采用１个电动水泵。冷却回路控制冷却液流量，根据发动机运行工况保持最佳冷却效果，最小化了水泵的功耗。中冷器采用独立于发动机冷却系统的低温冷却回路。为提高冷却效率，改进了中冷器的内部结构，在水路侧增加了翅片，并优化了增压气体侧的翅片和通道形状（图35-37）。
通过这些控制同样可以提高动态性能。除ＷＧＶ控制外，还进行了扫气控制，暂时将气门重叠角增大超过常规设置，以提高增压压力，使其大于背压。进入涡轮的气体增加，保证了增压压力。如图38所示，扫气控制缩短了涡轮迟滞。
６．２发动机与ＣＶＴ匹配开发
该涡轮增压发动机的主要特征之一是能够与ＣＶＴ进行匹配。首先，研究了最佳ＣＶＴ换档控制及其与涡轮增压发动机的匹配开发。
图39示出节气门全开（ＷＯＴ）时从３０ｋｍ／ｈ开 始加速的条件下，２种换档控制的车辆纵向加速度曲线（Ｇ）。曲线Ａ为发动机转速快速提高的加速度数据。曲线Ｂ为控制发动机转速提高的加速度数据。曲线Ｃ为同样条件下加装手动变速器的车辆加速度数据。曲线 Ａ中，加速度初始保持稳定，然后减小，之后突然增大。曲线Ｂ中，加速度实现了与手动变速器车辆相同的线性提升。
图40示出在图39中的数据条件下，每循环的容积效率随发动机转速的变化。曲线Ａ，进气流量突然增加前，转速达到约４０００ｒ／ｍｉｎ，容积效率实际并无提升，这是因为如果发动机转速与自然吸气发动机以同样的方式快速提高，增压提升率与进气量升高率相抵。因此，每燃烧循环的容积效率并不增加。此外，随换档惯性损失增加，开始出现降速。相比之下，曲线Ｂ示出增压压力线性响应提升，通过ＣＶＴ极其灵活的换档控制性能控制发动机转速提升量和提升率。此外，控制发动机转速提高率也最小化了换档惯性损失，实现了加速度的线性增加，有助于降低ＣＶＴ所谓的加速滞后感。因此，该涡轮增压发动机与ＣＶＴ的匹配使ＣＶＴ换档控制优化了增压压力响应和驱动力响应。
图41示出采用ＣＶＴ和手动变速器从４０ｋｍ／ｈ开始的加速度曲线。尽管换档期间惯性损失量使采用ＣＶＴ时的加速提升稍有延迟，但车辆的加速感觉与驾驶员的意图相一致，这也是ＣＶＴ的主要特点之一。在逐步加速工况下，随驾驶员的操作（油门下压量和速度）优化换档控制（即换档量和速度），ＣＶＴ实现了与手动变速器相同的线性加速度，在快速加速下达到了加速度的线性和最大值响应。平稳加速，驾驶员不会感到涡轮增压器迟滞。
图42示出装配双离合器变速器（ＤＣＴ）或ＣＶＴ车辆从停止开始加速的车辆纵向加速度Ｇ曲线。ＤＣＴ总传动比小１０％。离合器啮合导致ＤＣＴ起动响应延迟，而ＣＶＴ因变矩器具有扭矩的放大功能，拥有更好的初始起动性能。此外，尽管变矩器损失使中间区域的加速度稍低于ＤＣＴ，但其扭矩放大作用使ＣＶＴ几乎与总传动比较小的ＤＣＴ具有同样的 峰值加速度。鉴于综合加速特性，采用ＣＶＴ能实现平稳的线性感受。
除常规运行模式外，ＣＶＴ还配有运动模式。如上所述，常规模式下，ＣＶＴ凭借其高的低速扭矩实现线性加速。运动模式下，通过换档控制改变发动机扭矩改善加速响应，实现较快的加速响应（图43），如此快速的加速响应也通过提高增压压力实现。这是通过提高锁止期间的发动机转速、增加给定油门位置的发动机扭矩需求实现的。此外，为改善增压压力响应而提高发动机转速，换档控制较常规模式执行更快，进一步增强了加速响应。通过这些措施，运动模式实现了更为直接的加速感受，使车辆驾驶油一定的乐趣，当然，这还是一部买菜车，追求极致的性能不现实的。
７结语
本文描述了丰田新型１．２Ｌ小型化涡轮增压８ＮＲ－ＦＴＳ发动机的硬件和软件特性。该发动机的主要特征总结如下：
（１）通过增强进气流动和缸内涡流，采用每循环多次喷油策略，在无进气歧管喷射的情况下发动机实现了快速燃烧。
（２）采用单涡道涡轮增压器、较小的排气持续角和扫气控制，发动机从１５００rpm开始就达到了最大扭矩。
（３）通过冷却集成排气歧管气缸盖内的废气，λ＝１区域得以扩展，实际油耗表现较佳。
（４）通过在压缩行程缸内直喷使发动机平顺重起的起停系统控制、改善发动机燃烧特性，以及采用高速比的换档控制等，实现了领先同级别的燃油经济性。
（５）该涡轮增压发动机与最佳ＣＶＴ换档控制相结合，最小化了加速迟滞，实现了动力学和燃油经济性的统一。
丰田拥有强大的技术储备，根据不同的车型制定不同的技术路线。明显看出，对于买菜车，丰田的的策略偏向于燃油经济性，再保证燃油经济性下，兼顾动力性和平顺性，当然了，按照丰田一贯的作风，能cost down的东西都不会给你留着。
（完结）
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）
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